Vergleichende Charakterisierung von Myoglobin und Hämoglobin
Myoglobin ist ein Protein der roten Muskulatur, das die Funktion der Sauerstoffspeicherung erfüllt. Seine höchste Struktur ist die Tertiärstruktur; das Molekül besteht aus einer einzigen Polypeptidkette und einem Häm (prosthetischen Gruppe), besitzt also ein einziges aktives Zentrum. Die Sauerstoffaffinität des Myoglobins ist hoch, weshalb es O₂ erst bei ausgeprägtem Sauerstoffmangel im Gewebe abgibt.
Hämoglobin ist ein komplexes, oligomeres Domänenprotein mit Quartärstruktur. Es besteht aus vier Protomeren: zwei α-Globin- und zwei β-Globinketten, von denen jede an ein Häm gebunden ist. Somit besitzt das Hämoglobinmolekül vier aktive Zentren. Seine Funktion ist der Transport von O₂ aus der Lunge in das Gewebe sowie von CO₂ (sowie Protonen) aus dem Gewebe in die Lunge. Die Sauerstoffaffinität ist geringer als die von Myoglobin, was für eine effiziente O₂-Abgabe an das Gewebe notwendig ist.
Aufbau des Häms und Rolle der Histidinreste
Das Häm wird durch Protoporphyrin IX repräsentiert — vier Pyrrolringe, die durch Methinbrücken verbunden sind, mit seitlichen Vinyl-, Methyl- und Propionylgruppen. Die Stickstoffatome der Pyrrolringe bilden vier Koordinationsbindungen mit dem Fe²⁺-Ion. Die fünfte Koordinationsbindung des Eisens führt zum proximalen Histidin His F8, die sechste zum O₂-Molekül.
Die Sekundärstruktur des Globins wird durch acht α-Helices gebildet, die mit den Buchstaben A–H bezeichnet werden. Das Häm befindet sich in einer hydrophoben Tasche zwischen den Helices E und F.
- His F8 (proximal) — bildet eine kovalente Bindung mit Fe²⁺ und hält das Häm an seinem Platz.
- His E7 (distal) — sorgt für die korrekte Ausrichtung von O₂, erhöht die Sauerstoffaffinität des Häms und verringert gleichzeitig die Affinität zu Kohlenmonoxid (CO), das sonst deutlich fester binden würde.
Die hydrophobe Umgebung des Häms verhindert das Eindringen von Wasser und schützt vor der Oxidation von Fe²⁺ zu Fe³⁺ (Bildung von Metthämoglobin, das nicht in der Lage ist, Sauerstoff zu transportieren).
Kooperative Sauerstoffbindung
Die Anlagerung des ersten O₂-Moleküls an eines der Protomeren bewirkt einen Konformationsübergang vom T-Zustand (niedrige Affinität) in den R-Zustand (hohe Affinität). Dies erleichtert die O₂-Bindung durch die folgenden Protomeren: das vierte Sauerstoffmoleküle lagert sich etwa 300-mal leichter an als das erste. Ähnlich verläuft auch der umgekehrte Prozess — die O₂-Abgabe erfolgt kooperativ. Die Kooperativität äußert sich in einer S-förmigen (sigmoiden) Dissoziationskurve des Oxyhämoglobins, während die Kurve beim Myoglobin hyperbolisch verläuft.
Bohr-Effekt
Bohr-Effekt — die Abnahme der Sauerstoffaffinität des Hämoglobins bei Ansäuerung des Milieus und Erhöhung des CO₂-Partialdrucks. In arbeitendem Gewebe sammelt sich Kohlendioxid an, das unter Beteiligung von Carboanhydrase mit Wasser reagiert und Kohlensäure bildet, welche in H⁺ und HCO₃⁻ dissoziiert.
- Protonen protonieren bestimmte Reste in den Hämoglobinprotomeren und stabilisieren so die T-Form, was die O₂-Abgabe an das Gewebe erleichtert.
- CO₂ bindet an die terminalen α-Aminogruppen der Globine unter Bildung von Carbaminohämoglobin.
- In der Lunge ist der Prozess reversibel: Bei niedrigem pCO₂ und höherem pH bindet das Hämoglobin wieder O₂.
Regulation durch 2,3-Bisphosphoglycerat
In der zentralen Höhle des Hämoglobintetramers befindet sich eine allosterische Bindungsstelle, die 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) bindet — ein Zwischenmetabolit der erythrozytären Glykolyse (Rapoport-Luebering-Shunt). Bei Hypoxie steigt die Konzentration von 2,3-BPG; es bindet an Desoxyhämoglobin, stabilisiert die T-Form und verringert die O₂-Affinität, was die Sauerstoffabgabe an das Gewebe erleichtert.
Fetales Hämoglobin (HbF), das aus zwei α- und zwei γ-Ketten besteht, bindet 2,3-BPG schwächer und besitzt daher eine höhere O₂-Affinität, wodurch es Sauerstoff effizient über die Plazenta vom mütterlichen HbA „abzieht“.
Denaturierung und Chaperone
Denaturierung — die Störung der Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur eines Proteins bei Erhaltung der Primärstruktur. Sie kann reversibel (Renaturierung möglich) oder irreversibel sein. Denaturierende Faktoren: hohe Temperaturen, extreme pH-Werte, Schwermetalle, organische Lösungsmittel, Deterenzien — sie zerstören Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und Disulfidbrücken.
Chaperone — Proteine, die eine korrekte Faltung von Polypeptiden gewährleisten und die Aggregation denaturierter Moleküle verhindern. Man unterscheidet zwischen konstitutiven Chaperonen (permanent in der Zelle vorhanden) und induzierbaren (z. B. Hitzeschockproteine, deren Synthese als Reaktion auf Stressfaktoren verstärkt wird).
Sichelzellanämie
Sichelzellanämie — eine hereditäre Hämoglobinopathie, die durch eine Punktmutation im β-Globingen verursacht wird: An Position 6 der Polypeptidkette wird Glutaminsäure (polar, negativ geladen) durch Valin (hydrophob, ungeladen) ersetzt. Das anomale Hämoglobin wird als HbS bezeichnet; das normale adulte als HbA, das fetale als HbF.
Das Auftreten eines hydrophobenestes an der Oberfläche der β-Kette erzeugt einen komplementären „klebrigen“ Bereich. Unter Hypoxiebedingungen polymerisieren die desoxygenierten HbS-Moleküle und bilden lange Fasern, die den Erythrozyten verformen und ihm eine sichelförmige Gestalt verleihen.
- Sichelförmige Erythrozyten verlieren ihre Plastizität und passieren Kapillaren nur schlecht, was Mikrothrombosen und Gewebe-hypoxie verursacht.
- Die Lebensdauer der Erythrozyten sinkt — es entwickelt sich eine hämolytische Anämie.
- Heterozygote Träger weisen eine erhöhte Resistenz gegen Malaria auf: Plasmodium falciparum vermehrt sich in sichelförmigen Erythrozyten schlechter, was die hohe Mutationsfrequenz in malariaendemischen Regionen Afrikas erklärt.
Schlüsselpunkte
- Myoglobin ist ein Monomer mit einer hyperbolischen Sättigungskurve; Hämoglobin ist ein Tetramer (2α + 2β) mit einer sigmoiden Kurve und kooperativer O₂-Bindung.
- His F8 bindet Fe²⁺ des Häms kovalent, His E7 orientiert O₂ und senkt die Affinität zu CO.
- Die hydrophobe Umgebung des Häms verhindert die Oxidation von Fe²⁺ zu Fe³⁺ (Metthämoglobin).
- Bohr-Effekt: Ein Anstieg von [H⁺] und pCO₂ senkt die O₂-Affinität des Hämoglobins und erleichtert dessen Abgabe an das Gewebe.
- 2,3-BPG bindet in der zentralen Höhle des Tetramers, stabilisiert die Desoxyform und senkt die O₂-Affinität; HbF bindet 2,3-BPG schwach und hat daher eine hohe Sauerstoffaffinität.
- Chaperone (darunter Hitzeschockproteine) verhindern Aggregation und sichern die korrekte Proteinfaltung.
- HbS entsteht durch den Austausch Glu6→Val in der β-Kette; das hydrophobe Valin bewirkt die Polymerisation von Desoxy-HbS und die sichelförmige Verformung der Erythrozyten.
- Die Sichelzellanämie geht mit Hämolyse, Hypoxie und Gefäßverschlüssen einher, schützt im heterozygoten Zustand jedoch vor Malaria.